直接液冷
3 秒看懂
冷板式直接液冷（Direct Liquid Cooling, DLC）是把高导热液体送入紧贴 CPU/GPU 等发热芯片的冷板内部，通过液体快速带走热量的散热技术。它打破了传统风冷的热密度天花板，让单机柜稳定支撑 50 kW 甚至 100 kW 以上的 AI 算力成为现实，并将数据中心电能利用效率（PUE）压至 1.1 以下，已成为十万卡级 GPU 集群的标配散热方案。
3 分钟产业解释
冷板式液冷走的是“芯片→冷板→冷却液→外部换热”的短热路，与依赖机房空调的“送风冷却”完全不同。核心逻辑是将高精度冷板直接贴装在 GPU/CPU 顶盖上方，冷却液在封闭的金属冷板内部湍流流过，以极高的对流换热系数将芯片热量转移至液体，再经由液冷分配单元（CDU）将热量排给室外的冷却塔或冷冻水系统。整个过程液体与电子器件零接触，属于“间接液冷”。
当前主流的单相冷板方案中，一次侧冷却液（通常是去离子水基配方）吸收芯片热量后温度升高 5–15 ℃，回液经过 CDU 内的板式换热器，把热量传递给二次侧，二次侧再通过蒸发冷却或干冷器将热量散入大气。随着英伟达 HGX H100/H200 液冷版、GB200 NVL72 整机柜级液冷系统的大量出货，DLC 已从超算领域的“小众专配”变为 AI 基础设施的“工业化标准”。单 GPU 功耗突破 700 W，单机柜密度向 120 kW 攀升，风冷在散热能力、能效和经济性上彻底失效。同时，中国要求新建大型、超大型数据中心 PUE 低于 1.25，部分地区甚至更低，政策端构成液冷渗透的刚性驱动器。
技术原理
液冷散热的本质是压低芯片结温到室外环境的总热阻。从结到外界的热阻串联模型为：
R_total = R_jc + R_TIM + R_cp + R_conv + R_CDU + R_ext
其中 R_jc 为芯片结到封装壳的热阻，R_TIM 为导热界面材料热阻，R_cp 为冷板固体导热热阻，R_conv 为冷板内对流热阻，R_CDU 为换热器和管路热阻，R_ext 为室外散热环节热阻。风冷方案中，R_conv 极大（空气导热率和比热低），而液冷通过微通道结构将对流换热面积 A 提高数倍，同时液体的导热系数和对流换热系数 h 远高于空气，使总热阻下降一个数量级。
单相液冷热平衡遵循：
Q = dot(m) \, C_p \, (T_{out} - T_{in})
其中 Q 为芯片功耗，ṁ 为质量流量，Cp 为冷却液比热。供液温度 T_in 一般设计为 25–32 ℃，回液 T_out 控制在 40–45 ℃，这一温度区间可使室外侧全年大部分时间直接利用自然冷却（干冷器），无需压缩机，PUE 可低至 1.05。
两相液冷的沸腾曲线则展现更高潜能：在核态沸腾区，很小的壁面过热度即可激发大量气泡，以潜热方式带走极高热流密度（>100 W/cm²），芯片表面温度几乎不随功率剧增。这对未来单芯片 1000 W+ 的峰值功耗极为有利，但也引入了相变工质回收、系统压力控制和冷凝回路设计的工程挑战。
冷板内部微通道结构示意图（典型横截面）：
+----------------------------+
| 芯片发热表面 |
| ↓ 导热界面材料 (TIM) |
| +------------------------+
| | 铜/铝冷板 |
| | |||||| 微通道肋片 |
| | 冷却液流向 → |
| +------------------------+
微通道水力直径常设计在 0.5–1.0 mm，通过精密铜或铝的真空钎焊或摩擦焊成形，单位体积换热面积可达 1000 m²/m³ 以上，实现低热阻与低流阻的平衡。
关键参数
热阻与冷却能力
- 芯片到冷却液总热阻：典型冷板设计目标 ≤0.03 °C/W（据公开设计白皮书）。
- 最大散热能力：单相冷板单芯片可覆盖 700–1000 W，两相方案可突破 1500 W。
供液温度与流量
- 一次侧供液温度：25–32 °C（常规），温暖冷却方案可提高至 40–45 °C 以延长自然冷却时间。
- 单节点流量：约 3–10 L/min，ΔT 控制在 5–10 °C。
- 二次侧回液温度：高达 40–45 °C，适配干冷器。
系统压降与泵功
- 冷板+管路总压降：0.3–1 bar，泵功耗通常占冷却总能耗的 2–5%，需用调速泵优化。
泄漏与可靠性
- 无滴漏快接头：插拔寿命 ≥10,000 次，自动关闭阀使单次断开的泄漏量低于 0.5 mL（参照 Stäubli 等行业指标）。
- 漏液检测绳可沿管路布置，配合监控系统在数秒内定位异常，运行中泄漏事故率在成熟部署中已低于百万分之一。
水质管控指标
- 电导率：＜1 μS/cm，总硬度＜0.5 ppm，颗粒度＜0.1 μm，以防止电化学腐蚀和微生物滋生。
- 防腐添加剂：使用缓蚀剂、除氧剂，定期取样。
能效指标
- PUE：液冷结合自然冷却可实现 1.05–1.10（风冷难以突破 1.25）。
- 水资源利用效率（WUE）：减少蒸发散热依赖，可低于 0.3 L/kWh，适用于缺水地区。
全生命周期成本（TCO）
- 液冷服务器资本开支较风冷高约 10–20%，但运行电费和冷却设备投入节省可使 2–3 年内回收增量成本（基于超大规模数据中心典型算力密度，来源：公开运营商案例分享）。
技术路线
目前并行发展四条主流液冷技术路线，产业主航道为冷板式单相液冷。
冷板式单相液冷
- 系统构成：冷板、CDU（含泵、板换、膨胀罐、过滤器）、管路与快接头、监控。
- 优势：兼容标准服务器主板，可维护性好，快接盲插，运行压力低，无相变工质回收问题。
- 典型单机柜能力：50–120 kW。
- 代表部署：英伟达 HGX/H100/H200 液冷版、联想海神、浪潮整机柜液冷、HPE Cray EX 超级计算机。
冷板式两相液冷
- 利用低沸点介电液在冷板内沸腾，通过相变潜热极大提升换热系数。
- 单机柜可轻松支持 100+ kW，但需专门的冷凝器、气液分离器和压力调节，工质成本高昂，维护复杂。
- 目前主要用于超高密度试验或特定超算项目，如 Cray 的某些高功率配置，尚未大规模推广。
浸没式单相液冷
- 将整台服务器浸没在介电液体（矿物油或合成碳氢液）中，液体强制对流带走芯片热量。
- 单机柜支持 30–80 kW，服务器需定制（去除风扇、接口保护），液体循环系统庞大，维护起吊困难。
- 适用于边缘计算、部分区块链矿场、特殊场合。
浸没式两相液冷
- 高沸点介电液在芯片表面沸腾，蒸气在液面上方冷凝回流，无需泵驱动，热虹吸可实现极高换热。
- 热流密度潜力 100+ kW/机柜，但密封、兼容性、工质费等问题突出，主要停留于研发和实验阶段。
技术路线对比表
| 指标 | 冷板单相 | 冷板两相 | 浸没单相 | 浸没两相 |
|---|---|---|---|---|
| 散热能力（kW/柜） | 50–120+ | 100+ | 30–80 | 100+ |
| 改造量 | 低 | 中 | 高 | 高 |
| 系统复杂度 | 中 | 高 | 中 | 高 |
| 可维护性 | 较好 | 一般 | 差 | 差 |
| 工质 | 水基 | 介电氟化液等 | 介电矿物油等 | 介电氟化液等 |
| 当前成熟度 | 规模部署 | 试点 | 小规模部署 | 实验阶段 |
上游
产业链上游由以下细分领域构成：
精密冷板与微通道加工
- 核心工艺：铜、铝合金的微通道成形，涉及精密 CNC 加工、真空钎焊（铝）或扩散焊接（铜）。加工良率直接影响冷板成本和散热性能。
- 代表：Auras（双鸿）、Cooler Master、Boyd Corporation、精研科技、中石科技等。
导热界面材料（TIM）
- 填充芯片与冷板间微观缝隙，决定 R_TIM。常见类型：高性能硅脂、相变材料、液态金属。
- 关键供应商：信越、道康宁、霍尼韦尔、赛伍技术等。
液冷分配单元（CDU）
- 集成板式换热器、循环水泵、膨胀罐、过滤器、电控与监控模块，是液冷系统的心脏。CDU 负责维持精确的流量、温度和压力。
- 代表：曙光数创、高澜股份、英维克、Vertiv、Schneider Electric、世图兹等。
冷却液
- 水基配方：去离子水 + 防冻剂（乙二醇/丙二醇）+ 缓蚀阻垢剂。关键在材料兼容性。
- 介电冷却液：全氟碳化合物和氢氟醚等因环保法规收紧（PFAS 管控），推动合成碳氢、硅基等替代品加速研发。化工企业如 3M（近期宣布退出 PFAS 制造）、科慕、日氟荣等。
关键连接件与管路
- 无溢漏快接头：技术壁垒高，要求在高压、高频插拔下零泄漏，关键厂商如 Stäubli、Parker Hannifin、CPC（Colder Products）、国内的杭州航天精密、日丰、日出东方旗下企业等。
- 歧管（Manifold）和软管：需要兼容冷却液、耐老化。
漏液检测与监控
- 分布式传感器缆绳、区域控制器，能在线监测水质（电导率、pH）、流量、压力及微量液体渗漏。供应商包括 nVent、AKCP、国内安之源等。
下游
超大规模云与 AI 企业
- 美国四大（AWS、微软 Azure、谷歌 Cloud、Meta）以及 Oracle 等：自研或联合 OEM 设计液冷整机柜，用于自建 AI 训练集群。例如谷歌的冷却架构长期采用温水液冷；微软为 OpenAI 构建的超级计算机即采用冷板液冷。
- 中国互联网/AI 巨头：阿里云、腾讯云、字节跳动、百度、快手等，在东数西算政策下加速液冷服务器部署，自建或租赁液冷数据中心。
- 独立 AI 实验室：如 xAI、Anthropic 等，同样追求万卡集群，成为冷板液冷的新增需求方。
专业数据中心服务商
- 全球：Equinix、Digital Realty、CyrusOne 等，已推出液冷托管服务（如 Equinix Metal），支持企业部署高密度机柜。
- 国内：万国数据、世纪互联、光环新网、数据港等第三方 IDC，改造部分机柜为液冷区，满足客户高功率需求。
服务器 OEM 与整机柜方案
- 直接向下游提供预装冷板的液冷服务器：Dell PowerEdge、HPE（Cray）、联想 ThinkSystem、浪潮信息 NF 系列、超微（SuperMicro）液冷系统、新华三等。
需求驱动
- AI 训练：大模型参数扩张使单次训练所需计算量指数上升，GB200 NVL72 将 72 块 GPU 液冷集成在一个机柜，代表需求顶点。
- AI 推理：边缘高并发推理场景也开始看到液冷需求，尤其是延迟敏感的推理芯片功耗上升。
- 政策合规：中国新建大型数据中心 PUE 须低于 1.25（2025 年目标），北上广深经信委要求更严（如 1.2 以下），风冷方案几无可能达标，液冷成必选项。
受益公司
（基于公开信息列举产业链代表企业，不构成投资建议）
精密冷板与导热
- Auras、Cooler Master、Boyd、双鸿、精研科技、中石科技等散热大厂，已为英伟达、AMD 及服务器厂商提供定制冷板。
CDU 及系统集成
- 曙光数创：同时具备冷板和浸没双路线，承建液冷数据中心逾百兆瓦。
- 高澜股份：从电力电子冷却衍生至数据中心冷板 CDU，参与多个大型液冷项目。
- 英维克：精密温控，推出面向液冷数据中心的整体解决方案。
- Vertiv（维谛技术）、Schneider Electric：全球数据中心基础设施巨头，液冷 CDU 及系统服务覆盖广泛。
服务器/整机柜 OEM
- 联想：海神 Neptune 温水冷却技术，已在全球超算中心商用。
- 浪潮信息：发布全液冷整机柜 InCloud，兼容英伟达方案。
- HPE/Cray：为美国能源部超算系统提供液冷。
- 超微：提供大规模部署的预装冷板系统。
快接头与管路
- Stäubli、Parker、CPC 占据高端市场，专利壁垒高，国内航天精密、日丰等加速国产替代。
冷却液
- 水基配方添加剂方案由安美特、纳尔科等水处理厂商协助；介电液领域随着 3M 退出，科慕等扩大生产，国内巨化股份、多氟多等加快自主研发。
最终用户自研与白盒集成
- 英伟达联合富士康等设计参考机柜；北美云巨头自研液冷方案，带动供应链。
市场参与者众多，但竞争优势在于全栈交付能力——从冷板、CDU 到监控的一体化工程，以及服务超大型客户的总包经验。
市场规模
（数据来自第三方公开报告，请留意更新，以下仅摘录已知信息。）
- 全球市场：据 Mordor Intelligence 2024 年报告，2023 年全球数据中心液体冷却市场规模约 23.5 亿美元，预计到 2028 年达 65.3 亿美元，对应复合年增长率约 22.7%。冷板式液冷在收入中占比超 60%，为绝对主力。
- 中国市场：中国信息通信研究院《中国液冷数据中心发展白皮书》（2023）指出，2022 年中国液冷数据中心市场规模约 58 亿元人民币，预计到 2027 年突破 300 亿元，期间增速显著刺激于 AI 智算中心建设与 PUE 红线。
- 渗透率：据 IDC 2024 年数据，2023 年液冷服务器占全球服务器出货量的渗透率约 3–5%，预计到 2027 年将提升至 12–15%，AI 服务器领域渗透率已超 25%。
- 产能与供给：公开报道显示，主流冷板产线投资在 2023–2024 年间增长 3–4 倍，产能瓶颈主要体现于微通道焊接良率和高端快接头交期（当前领先供应商交期约 12–20 周）。
以上数字可能因统计口径（是否含本土 IDC、浸没式收入等）而有所差异，以各机构原始报告为准。
玩家对比
技术路线对比（再梳理）
| 维度 | 冷板单相 | 浸没单相 | 冷板两相 |
|---|---|---|---|
| 可维护性 | 高（快接，开盖易） | 低（起吊、排液） | 中 |
| 基础设施改造 | 低 | 高（定制液箱） | 中 |
| 工质成本 | 低 | 中 | 极高 |
| 环保风险 | 低 | 中（油类处理） | 高（PFAS 议题） |
| 当前部署体量 | 最大 | 较小 | 极少 |
主要方案代表
- 曙光数创：冷板与浸没双矩阵，全栈交付，在科教、超算及智算领域已有数百兆瓦项目。
- 英维克：精密空调起家，液冷全链条覆盖，联合集成商提供模块化 CDU，广泛应用于国内头部云商。
- Vertiv/维谛：全球基础设施巨头，提供 Liebert 品牌 CDU、机柜制冷分配，服务于全球主流数据中心。
- 高澜股份：擅长水冷系统，从特高压延伸至数据中心冷板，提供大流量 CDU。
- 联想：Neptune 温水冷却不需低温水，大幅改善自然冷却时长，在 HPC 市场知名度高。
在性价比和运维友好度上，冷板单相占据绝对主导，浸没式则在特定高密度、特殊环境场景发挥优势。
风险
技术路线变动风险 若浸没式液冷技术成熟度及成本改善快于预期，或在环保约束下直接向两相浸没演进，现有冷板产业链的投资回报可能被稀释。
环保法规不确定性 PFAS 类全氟烷基物质（部分氟化液）在欧美面临更严格的限制甚至淘汰时间表。若冷却液必须更换，将引发设备兼容性更新、成本上升，可能延缓项目部署。
供给端瓶颈 高端无溢漏快接头的精密加工和密封技术高度集中于少数厂商，交期长且价格昂贵，若全球 AI 集群建设同步爆发，可能造成关键部件短缺，拖累交付进度。
利润率下行压力 大量资本涌入冷板、CDU 制造环节，产能急速扩张，价格竞争可能提前到来。部分环节（如 CDU）已从定制化走向标准化，议价能力下降。
宏观经济与资本开支波动 巨头资本开支受宏观景气影响，一旦 AI 投资热度回调，液冷设备订单可能阶段性收缩。
运维复杂性隐患 虽然泄漏率极低，但液冷部署仍对运维人员技能要求更高，若缺乏严格水质管理和漏夜监测，可能发生腐蚀穿孔等安全事故，影响大规模推广信心。
误读纠偏
误读 1：液冷就是水直接浇在芯片上 纠偏：冷板式液冷中液体全程在密封金属管路内流动，不与电路接触。即使意外泄漏，快接头自动封闭、漏液绳秒级报警即可切断环路，灾难性短路几无可能。材料和水质管理是工程重点，已形成成熟体系。
误读 2：液冷数据中心完全不需要空调 纠偏：液冷仅带走 CPU/GPU 约 70–90% 的热量，内存、网卡、电源模块等仍有 10–20% 热负荷需由空气冷却，机房需保持适当通风和辅助降温，最终形态是“液冷为主，风冷为辅”。
误读 3：浸没式液冷一定优于冷板，是未来方向 纠偏：浸没式拥有极高热流潜力但对服务器改造大、维护复杂、液体兼容性与安全性挑战多。冷板式兼容现有服务器生态，运维简易，在全生命周期 TCO 和工程风险上占优，更受主流厂商和大客户认可，二者长期更可能并行而非取代。
误读 4：冷板液冷 PUE 一定低于 1.1 纠偏：PUE 与整体架构设计密切相关，若二次侧仍用冷水机组而未利用自然冷却，PUE 可能仅刚低于 1.2。要实现 1.05 左右的极致值，必须搭配高温回液和干冷器全年自然冷却。
误读 5：液冷整机柜可覆盖所有功耗场景，风冷已无用武之地 纠偏：低密度企业数据中心或边缘节点，风冷仍是最经济简单的方案。液冷渗透主要发生在高密度场景，风冷与液冷将长期共存。
最新事件
- 2024 年 3 月：英伟达发布 GB200 NVL72，整机柜采用冷板式液冷，单柜功率约 120 kW，标志着液冷成为旗舰 AI 芯片标配。
- 2024 年：中国《关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见》落地，新建大型 PUE 不高于 1.25，部分地区要求 1.2 以下，液冷数据中心项目集中开工。
- 2024–2025：3M 宣布退出全氟化合物制造，推动介电液供应商调整，科慕、巨化等加速布局替代品，为两相液冷和浸没式液冷带来新配方。
- 2024 年 Q2：Meta 公布下一代液冷训练集群细节，采用 open compute 冷板方案；微软、谷歌亦扩大温水液冷部署。
- 2025 年初：中国通信标准化协会更新 YD/T 4024-2022 液冷交付运维标准，细化水质和漏夜检测要求；OCP 更新 Cold Plate 设计指南，接口进一步标准化。
- 2025 年 H1 展望：随着英伟达 B100/B200 系列交付，冷板液冷生态从 GPU 基板到机柜歧管形成更强锁定，快接头厂商宣布扩产 200%。
跟踪指标
- AI 加速器功耗趋势：英伟达、AMD 下一代 GPU 的 TDP，单芯片功耗持续上升是液冷需求倍增的直接信号。
- 液冷服务器渗透率：IDC、Gartner 每季度公布的液冷服务器出货占比，尤其关注 AI 服务器领域。
- 数据中心 PUE 监管动态：国内各省市的新建/改建数据中心 PUE 要求，以及实际批复的液冷项目数量。
- 快接头与冷板产能：主要供应商资本开支、交期和价格走势，反映供给紧张程度。
- 介电冷却液环保政策：各国对 PFAS 的立法进展，以及替代产品认证情况。
- CDU 招投标价格：反映标准化水平和竞争格局，可作为产业链利润率先行指标。
- 云巨头资本开支：AWS、Azure、谷歌、Meta 及国内 BAT 的资本开支指引，直接影响液冷部署规模。
- 新技术路线试点：浸没式液冷大规模部署的新闻，或两相冷板走向量产的里程碑。
信源
- 英伟达《NVIDIA HGX H100 Thermal Design Guide》《GB200 NVL72 Design Brief》
- OCP Advanced Cooling – Cold Plate Specification（最新版本）
- ASHRAE TC 9.9 Thermal Guidelines for Data Processing Environments
- Mordor Intelligence《Data Center Liquid Cooling Market - Growth, Trends, and Forecasts》(2024)
- IDC 全球服务器市场跟踪报告（2024）
- 中国信息通信研究院《中国液冷数据中心发展白皮书》（2023）
- CDCC 数据中心工作组年度技术报告
- 曙光数创、高澜股份、英维克等公司年报/招股书
- YD/T 4024-2022《液冷数据中心交付及运维技术要求》
- 各 OEM 厂商技术白皮书：联想 Neptune、HPE Cray 冷却方案等
- IEEE ITherm、SEMI-THERM 会议论文
- 专业媒体报道：Digitimes、InfoQ、Data Center Dynamics 等